Типы и конструктивные особенности турбобуров. Турбобуры

По конструкции турбо­буры делятся на односекционные, многосекцион­ные, высокомоментные, редукторные, шпиндель­ные и укороченные.

Односекционные турбобуры Т12МЗ (рис. XIII.5) изготовляют диа­метрами 240, 212, 195 и 172 мм с числом ступеней 100-120, собранных в одном корпусе. Они снаб­жены резинометаллической пятой, расположен­ной в верхней части. Ре­зиновые подпятники вы­полняются либо прива­ренными к металличе­ским дискам, либо в виде сменных резиновых вкла­дышей.

Для ориентирован­ного искривления при бурении наклонных скважин применяют бо­лее короткие односекци­онные турбобуры с чис­лом ступеней 30-60.

Рис.5. Односекционный турбобур.

1-вал; 2-втулка ниппеля; 3-шпонка; 4-упорная; 5, 10, 11-регулировочные кольца, 6-ротор; 7-статор; 8, 9-радиальная опора; 12, 13-диск и кольцо пяты; 14-подпятник; 15-гайка ротора; 16-колпак; 17-контргайка; 18-корпус; 19-втулка; 20, 22-переводники; 21-ниппель.

Многосекционные тур­бобуры типа ТС (рис.6) состоят из двух и более последовательно соединенных между со­бой секций, каждая из которых собирается в от­дельном корпусе вместе со своим валом и имеет

100 и более ступеней. Валы секций соединяются конусно-шлицевыми муфтами при свинчивании корпусов секций. Свинчи­ваются секции в вертикальном положении на буровой над устьем скважины.

У секционного турбобура одна общая осевая опора распола­гается в нижней секции. Конструкция резинометаллической пяты такая, как и у односекционных турбобуров. Конструктивно нижняя секция отличается от односекционного турбобура тем,что корпус в верхней части снабжен переводником с конической резьбой, а на верхней части вала имеется соединительная полу­муфта. Положение роторов относительно статоров регулируется с помощью кольца, установленного между турбиной и осевой пятой.

Статоры в корпусе закрепляются с помощью ниппеля. У тур­бобуров ТС5Б-9", ЗТС5Б-9", ТС4А-5", ТС4А-4" ниппель имеет цилиндрическую резьбу. Секционные турбобуры других типов имеют коническую соедини­тельную резьбу. Для создания необходимого натяга для сжа­тия статоров применяют ре­гулировочные кольца.

В средних и верхних сек­циях турбобуров нет осевых пят. Положение вала с рото­рами относительно корпуса со статорами определяется регулировочнымкольцом,устанавливаемым между сое­динительным переводником и дисками статора.

Крепления статоров в кор­пусах верхней и средних сек­ций осуществляется затяжкой конического резьбового сое­динения через регулировочные кольца. В турбобурах ТС4А-5" И ТС4А-4" применяется ци­линдрическая резьба.

Рис. 7.Шпиндельный турбобур.

1-вал; 2-корпус;

3, 4-радиальные опоры;

5-подпятник; 6-диск пяты;

7, 8-гайка и контргайка;

9-нижняя полумуфта; 10-переводник.

Шпиндельный турбобур (рис.7) был разработан с целью уменьшения потерь бурового раствора через нижний подшипник – ниппель- при бурении с гидромониторными долотами, для которых необходимо большое давление раствора при выходе его из вала турбобура, для этого к нижней части турбобура присоединяется на резьбе отдельная секция- шпиндель, имеющая осевую пяту и ра­диальные подшипники, сконструированные так, чтобы снизить утечку раствора через зазоры между валом и подшипником корпуса.

Рис. 7 .Шпиндельный турбобур.

1-вал; 2-корпус; 3, 4-радиальные опоры; 5-подпятник; 6-диск пяты; 7, 8-гайка и контргайка; 9-нижняя полумуфта; 10-переводник.

Шпиндельные турбобуры изготовляют диаметрами 240, 195, 185, 172 и 164 мм. Шпиндель состоит из вала, укрепленного в корпусе на двух радиальных подшипниках. Для восприятия осевых нагрузок служит резинометаллическая пята, которая со­стоит из набора стальных дисков и резинометаллических под­шипников, чередующихся между собой. Корпус шпинделя при­соединяется к нижней турбинной секции через переводник, а вал через муфту так же, как секции соединяются между собой.

Турбобуры с предельными турбинами типа Л (рис.8) отличаются от ранее описанных тем, что их турбины имеют из­меняющуюся характеристику при постоянном расходе жидкости. Эти турбины сконструированы так, что перепад давления на турбине уменьшается в зависимости от нагрузки на долото и изменяющегося при этом тормозного момента. В них исполь­зованы так называемые высокоциркулятивные турбины, посто­янный перепад на которых поддерживается с помощью пере­пускного клапана, через который часть жидкости сбрасывается в затрубное пространство, минуя турбобур. Этим достигается стабильный режим работы турбины при переменном расходе жидкости.

Эти турбобуры отличаются от ранее описанных еще и тем, что в них вместо резинометаллических опор и подшипников применены шарикоподшипники. Пята этого турбобура располо­жена в нижней части и выполнена в виде десятирядного ша­рикоподшипника. Эти подшипники работают в среде бурового раствора, поэтому для предохранения подшипника от попада­ния в него крупных абразивных частиц установлены защитные сальники. Турбины расположены в верхней части с промежу­точными шариковыми радиальными подшипниками, через ко­торые протекает буровой раствор. Подшипники применяют без сепараторной конструкции.

Крепление турбин, корпусов и соединение валов аналогично описанным выше. Конечно, работоспособность шарикоподшип­ников в среде бурового раствора небольшая, так как происхо­дит их сильный абразивный износ.

Турбобуры типа А изготовляют диаметрами 240, 195 и 164 мм следующих шифров; А9К5Са, А7Н4С и А6КЗС с числом ступеней до 240. В нижней секции устанавливают ПОступеней, а остальные - в верхней.

Для улучшения условий работы долота и обеспечения повы­шенного крутящего момента при увеличении нагрузки на до­лото при бурении турбобуры типа А7Н могут использоваться с редукционным клапаном, устанавливаемым непосредственно над турбобуром или на некотором расстоянии от него.

Рис.8 .Турбобуры с предельными турбинами типа Л.

I, II- нижняя и верхняя секции; 1-вал; 2-упор; 3-ниппель;4-упорно-радиальный шарикоподшипник; 5-торцовый сальник; 6, 7-втулки; 8-ротор; 9-статор; 10-шаоиковые опоры; 11-гайки; 12-колпак; 13-контргайки; 14-полумуфты; 15-корпус; 16, 17-переводники.

Клапанная перепускная приставка (рис.9) имеет обрат­ный клапан, к которому пружиной прижата втулка. При умень­шении разности давления под клапаном и над клапаном втулка перемещается вниз и открывает боковое отверстие Л, сообщая внутреннюю полость труб с затрубным пространством. Если разности давлений нет, то втулка под действием нижней пру­жины поднимается вверх, перекрывает боковое отверстие, и весь буровой раствор поступает в турбобур.

Эти приставки могут работать при применении двигателей привода буровых насосов с регулируемой частотой вращения. В этом случае по мере торможения долота снижается перепад на турбине, а следовательно, и мощность. Двигатели насосав автоматически увеличивают частоту вращения и подачу насо­сов, что ведет к повышению крутящего момента, развиваемого турбобуром.

Рис.9.Клапанная перепускная приставка.

1-корпус;

3-поршень;

4-пружины;

5-переводник;

6-хвостовик;

В результате широкого внедрения турбинного бурения потребовалось создать турбобуры, способные удовлетворить всему многообразию условий строительства скважин и обеспечить дальнейший рост технико-экономических показателей бурения. Накопленный значительный опыт применения турбо­буров, изучение условий их эксплуатации и ремонта, а также конструктор­ские и исследовательские работы наряду с теоретической разработкой во­просов улучшения характеристики турбин, изучение влияния осевых зазоров на к. п. д. турбин и т. п. позволили создать нормальный ряд турбобуров, наиболее отвечающих повысившимся требованиям практики бурения.

Турбобур представляет собой забойный гидравлический двигатель, снабженный осевой опорой, в котором гидравлическая энергия потока промывочной жидкости преобразуется в механическую работу вала, к которому прикрепляют породоразрушающий инструмент. Турбобур опускают в скважину на бурильной колонне, которая по мере углубления скважины наращивается с поверхности новыми бурильными трубами. В качестве гидравлического двигателя в турбобуре применяют многоступенчатую осевую турбину.

Гидравлические двигатели, в которых используется кинетическая или скоростная энергия потока жидкости, называют турбинами. В турбинах работа совершается главным образом в результате изменения количества движения жидкости.

В турбобурах применяют многоступенчатые осевые турбины лопастного типа. На рис. 1 схематично изображена одна ступень турбины турбобура, состоящая из статора и ротора.

Турбина работает следующим образом. Поток промывочной жидкости через бурильную колонну подается в первую ступень турбобура. В статоре первой ступени происходит формирование направления потока жидкости, т.е. жидкость, пройдя каналы статора, приобретает направление, указанное стрелкой А. Таким образом, статор является направляющим аппаратом турбины.

Потоки жидкости из каналов статора поступают на лопатки ротора под заданным углом и осуществляют силовое воздействие на ротор, в результате которого энергия движущейся жидкости создает силы, стремящиеся повернуть ротор, жестко связанный с валом турбины. Поток жидкости из каналов ротора первой ступени поступает на лопатки направляющего аппарата второй ступени, где вновь происходят формирование направления движения потока жидкости и подача ее на лопатки ротора второй ступени. На роторе второй ступени также возникает крутящий момент. В результате жидкость под действием энергии давления, создаваемой поверхностным насосом, проходит все ступени турбины турбобура и через специальный канал подводится к долоту. В многоступенчатых турбобурах крутящие моменты всех ступеней суммируются на валу.

Рис. 1 Схема ступени турбины турбобура: l -- лопатка статора; 2 -- лопатка ротора

В процессе работы турбины на статорах, закрепленных неподвижно в корпусе турбобура, создается реактивный момент, равный по значению, но противоположный по направлению. Реактивный момент через корпус турбобура передается на бурильные трубы и осуществляет их закручивание на определенный угол, зависящий от жесткости и длины бурильной колонны. Источником энергии в пределах рабочего органа турбины является скоростной напор потока жидкости, создаваемый вследствие перепада давления на входе в турбину и выходе из нее.

В процессе бурения осевая нагрузка на долото передается через турбобур, так как его обычно устанавливают непосредственно над породоразрушающим инструментом. Для восприятия и передачи осевой нагрузки турбобур снабжают специальной опорой, размещаемой в верхней или нижней части корпуса турбобура. Вал турбобура также снабжается радиальными опорами, предназначенными для центрирования вала, работающего при высоких осевых нагрузках и частотах вращения.

В качестве осевой опоры в серийных турбобурах применяют резино-металлические подшипники скольжения. Попытки использовать в качестве осевых опор стандартные упорные подшипники качения не дали положительных результатов. В 1960 г. во ВНИИБТ для турбобуров удалось разработать многорядную шаровую опору специальной конструкции.

Резинометаллический подшипник состоит из нескольких ступеней. Каждая ступень включает подпятник, закрепляемый в корпусе, и диск, сидящий на валу турбобура. Кольцо служит для защиты вала турбобура от изнашивания и для обеспечения заданного расстояния между дисками пяты. Подпятник по дисковой части облицован резиной, т.е. по верхней, нижней и внутренней цилиндрической поверхностям. Корпус подпятника имеет каналы для пропуска промывочной жидкости.

Радиальная резинометаллическая опора турбобура представляет собой корпус, внутренняя поверхность которого облицована резиной. В качестве нижней радиальной опоры используют ниппель. Резиновая обкладка ниппеля выполняет также функции сальникового уплотнения.

Работоспособность резинометаллических подшипников турбобура в абразивной среде в различных нефтяных районах страны колеблется в пределах 50--150 ч. Этим временем определяется межремонтный срок работы турбобура. Сравнительно высокая работоспособность резинометаллических подшипников турбобура объясняется тем, что твердые частицы, находящиеся в промывочной жидкости, попадая в зазор между эластичной облицовкой подпятника и стальной пятой, вдавливаются в резиновую поверхность, вследствие этого сила прижатия твердых частиц к стальному диску определяется упругостью резины и не зависит от удельного давления между металлической и резиновой поверхностями. Износ таких трущихся поверхностей в 4 --6 раз ниже, чем при работе двух твердых поверхностей, находящихся в абразивной среде.

Эластичная обкладка подпятников осевой опоры турбобура позволяет равномерно распределять осевую нагрузку по ступеням в пределах 0,5 -- 1,0 МПа. Коэффициент трения при промывке водой в резинометаллической опоре составляет 0,04 -- 0,10, в глинистом растворе -- 0,06 -- 0,16.

Осевая опора качения представляет собой радиально - упорный многорядный бессепараторный шарикоподшипник. Одна ступень подшипника состоит из наружного и внутреннего 2 рабочих колец, между парами которых размещается шарик 3. Расстояние между рабочими кольцами определяется размерами распорных колец -- наружного 4 и внутреннего 5. От попадания крупных абразивных частиц подшипник защищен сальником. Ввиду того, что бессепараторные подшипники работают в абразивной среде, большое влияние на их работоспособность оказывает правильная приработка опоры.

Представляет собой гидравлическую турбину, приводимую в движение потоком промывочной жидкости. Основные детали: турбина, вал, опоры и корпус. Турбина – многоступенчатая, каждая ступень которой состоит из двух лопастных систем: неподвижной (статор) 2 и вращающейся (ротор) 1 см. рис. 1.

Рисунок 1. Ступень турбины турбобура. (1 – ротор; 2 – статор)

Многоступенчатость турбобура объясняется тем, что ограничены значения трех следующих факторов, от которых в прямой зависимости находится крутящий момент:

расход промывочной жидкости не может быть увеличен из – за возрастания давления в циркуляционной системе и на выкиде бурового насоса;

диаметр турбобура ограничен размером ствола скважины4

частота вращения вала турбины, задается режимом бурения применительно к типу используемых долот и не может быть произвольно увеличена.

Большое число ступеней турбины при её малом диаметре (100 – 250 мм0, малом расходе жидкости (до 50 л/с) и частоте вращения вала (60 – 900 об/мин) позволяет создать довольно высокий (до 4 кН*м) крутящий момент. В разных моделях турбобуров применяется от 100 до 350 ступеней (укороченные, предназначенные для бурения в искривленных участках скважины, 30 – 60 ступеней, например Т12М3К – 215 бывает с 30 и 55 ступенями). При большом числе ступеней значительно увеличивается длина турбобура. Такие турбобуры для удобства изготовления и монтажа выполняют многосекционными (две – три секции).

По направлению течения жидкости в лопастных системах турбобур относится к прямоточным турбинам. Как в статоре, так и в роторе жидкость движется вдоль оси турбины.

Принцип действия

В статоре поток жидкости подготовляется для работы в роторе: скорость увеличивается и изменяет направление (см рис. 1). В каналах ротора, лопасти которого наклонены в противоположном направлении, скорость восстанавливается по величине и направлению. Затем жидкость входит в следующую ступень, где процесс повторяется.

При изменении скорости в межлопаточных каналах (и соответствующего импульса потока) возникает сила, с которой поток действует на лопасти, суммируясь во всех ступенях в общий крутящий момент. Крутящий момент в статоре (реактивный) воспринимается корпусом турбобура, жестко связанным с бурильной колонной. Равный, но противоположно направленный крутящий момент (активный), действующий в роторе, через вал турбобура передается долоту.

Устройство односекционного турбобура

Устройство односекционного турбобура показано на рис. 2.

Рисунок 2. Односекционный турбобур

1 и 24 – переводники; 2 – втулка корпуса; 3 – корпус; 4 – контргайка; 5 – колпак; 6 – роторная гайка; 7 и 10 – диски пяты; 8 – подпятник; 9 – кольцо пяты; 11 и 18 – регулировочные кольца; 12 и 17 – уплотнительные кольца; 13 – статор; 14 – ротор; 15 – втулка средней опоры; 16 – средняя опора; 19 – упор; 20 – шпонка; 21 – втулка нижней опоры; 22 – ниппель; 23 – вал

Он состоит из деталей двух систем: вращающейся – ротора и неподвижной – статора. К ротору относится вал с насаженными на нем рабочими (турбинными) колесами, вращающимися частями опор и крепежными деталями. Систему статора составляют корпус с переводником, направляющие колеса, неподвижные части опор и ниппель. Крепление деталей на валу и в корпусе – силами трения, действующими по торцам деталей при затяжке резьбовых соединений роторной гайки и ниппеля. Ротор фиксируется относительно статора при помощи осевой и радиальной опор. Для регулировки взаимного положения лопастных систем ротора статора служит кольцо, расположенное между статором и подпятником.

Выходные параметры турбобура: мощность на валу, крутящий момент, перепад давления в турбобуре – существенно зависят от расхода промывочной жидкости Qи частоты вращения вала машиныn. Зависимость крутящего момента М, мощности на валу N, перепада давления ΔР и коэффициента полезного действия η от частоты вращения n представляет собой рабочую характеристику турбины турбобура (рис. 3)

Рисунок 3. Энергетическая характеристика турбины турбобура.

Режим работы, соответствующий максимальной мощности на валу турбины при постоянном расходе промывочной жидкости, называется экстремальным.

Поскольку при работе турбобура часть мощности затрачивается на преодоление трения в опорах, а иногда и между статорами и роторами, внешняя характеристика турбобура будет отличаться от рабочей характеристики турбины. Внешняя характеристика турбобура отражает зависимость мощности и крутящего момента от частоты вращения вала турбобура с учетом потерь в опорах.

Турбобур представляет собой забойный гидравлический двигатель с многоступенчатой турбиной. Гидравлическая энергия потока бурового раствора приводит во вращение вал, соединенный с валом шпинделя и долотом. Для различных условий бурения отечественная промышленность выпускает турбобуры, различающиеся по диаметру, числу секций, расположению и конструкции опор и устройству турбинных аппаратов. Унифицированная секция турбобура, применяемая для одно- и многосекционных турбобуров, не имеет осевой опоры, а осевые нагрузки воспринимаются опорой, расположенный в шпиндельной секции.

Унифицированная турбинная секция турбобура ЗТСШ-195 (рис. 4.1.) состоит из переводника 1 , свинченного на конусной резьбе с корпусом 8 , в котором находятся пакеты статоров гидротормоза 7 и турбины 10 , сжимаемые регулировочными кольцами 11 и фиксируемые нижним переводником 12 . Этот переводник снабжен ниппелем с конусной замковой резьбой, к которой присоединяется вторая секция турбобура или шпиндельная секция, а при транспортировке навинчивается колпак.

Вращающаяся группа деталей: регулировочное кольцо 3 втулки уплотнения 4 и распорная 5 , радиальные опоры средняя и верхняя 6 и пакеты роторов гидротормоза 7 и турбины 10 , закрепленные на валу секции 9 стяжной полумуфтой 2 .

В многосекционных турбобурах валы секций соединяются с помощью конусных или шлицевых муфт на резьбах с небольшим углом конусности.

Турбина состоит из большого числа ступеней (до 370). Каждая ступень (рис. 4.2) состоит из статора с наружным 2 и внутренним 3 ободами, между которыми размещены лопатки 4 и ротора, обод 1 которого снабжен лопатками 5 . Лопатки статора и ротора расположены под углом друг к другу, вследствие чего поток жидкости, поступающий под углом из каналов статора на лопатки ротора, меняет свое направление и давит на них. В результате этого создаются силы, стремящиеся повернуть закрепленный на валу ротор в одну сторону, а закрепленный в корпусе статор - в другую.

Далее поток раствора из каналов ротора вновь поступает на лопатки статора второй ниже расположенной ступени, на лопатки ее ротора, где вновь изменяется направление потока раствоpa. На роторе второй ступени также возникает крутящий момент. В результате раствор под действием энергии давления, создаваемой буровым насосом, расположенным на поверхности, проходит все ступени турбобура. В многоступенчатой турбине раствор движется вдоль ее оси. Активный крутящий момент, создаваемый каждым ротором, суммируется на валу, а реактивный (равный по величине и противоположный по направлению), создаваемый на лопатках статора, суммируется на корпусе турбобура.

Реактивный момент через корпус турбобура передается соединенной с ним бурильной колонне, а активный - долоту. На создание крутящего момента перепад давления, срабатываемый в турбобуре, составляет от 3 до 7 МПа, а иногда и более. Это является большим недостатком турбобура, поглощающего значительную часть энергии, создаваемую насосом и затрачивающего ее на вращение долота, а не на очистку и эффективное разрушение забоя скважины, что практически исключает возможность применения гидромониторных долот.

По устройству турбин, требующих различного расхода жидкости, турбобуры подразделяются на: низколитражные, высоконапорные, имеющие максимальную мощность, большую частоту вращения и значительный вращающий момент; среднелитражные, развивающие максимальный вращающий момент, среднюю частоту вращения при высоком расходе жидкости; высоколитражные, имеющие максимальное отношение вращающего момента к частоте вращения М/п , относительно низкую частоту вращения и повышенный расход жидкости.

По числу секций турбобуры подразделяются на односекционные, в которых турбина и опорная пята расположены в одном корпусе, и многосекционные, состоящие из нескольких турбинных секций и шпинделя с осевой опорой.

Унифицированная шпиндельная секция (рис. 4.3) представляет собой самостоятельную сборку, которую можно использовать с одно- и многосекционным турбобуром. Шпиндельная секция выполняется в двух модификациях: на упорном подшипнике качения (рис.4.3, а ) и на резинометаллической опоре скольжения (рис. 4.3, б ).

Все основные детали шпиндельных секций - взаимозаменяемые, что упрощает ремонт и обслуживание. Вал 3 шпинделя в нижней части имеет ниппельную часть с резьбой для присоединения переводника 9 долота. Верхний конец вала 3 снабжен конической резьбой, на которую навинчивается полумуфта 1 , стягивающая регулировочные кольца 4 , втулку радиальной нижней опоры 5 и внутренние кольца упорно-радиального подшипника 7 (рис. 4.3, а) или диски резинометаллической пяты 7.

К недостаткам забойных гидравлических двигателей относится также потребление значительно большего количества жидкости, чем требуется для работы долота. Более 50 лет тому назад П.П. Шумиловым было доказано, что оптимальный процесс бурения осуществляется тогда, когда на забой подается 2/3 мощности, развиваемой буровыми насосами, но эта мощность должна расходоваться долотом на разрушение породы. На привод долота и на гидравлические потери при транспортировке жидкости к забою должно расходоваться не более 1/3 мощности, развиваемой насосами на поверхности. Условия бурения скважин многообразны и единых рекомендаций быть не может, но совершенно ясно, что в каждом случае должно быть дано экономическое обоснование выбора того или иного оборудования для бурения.

4.2.1. Турбодолото

Турбодолото (рис. 4.4) - турбинный забойный двигатель, служащий для вращения колонковой головки для бурения скважин с отбором образцов породы (кернов). Оно представляет собой одно- или двухсекционный турбобур, с резинометаллической осевой опорой и пустотелым валом. Вал турбодолота имеет полость, внутри которой расположена колонковая труба - грунтоноска для приема выбуренного керна. В верхней части корпуса турбодолота помещена опора грунтоноски, имеющая конусное посадочное гнездо. Грунтоноска снабжена головкой с конусной поверхностью, на которую она садится. Благодаря этому при вращении вала турбодолота с бурильной головкой керноприемная труба не вращается.

Грунтоноска закрывает отверстие в валу, благодаря чему жидкость не проходит через него, а поступает в турбину турбодолота. Так как давление раствора в верхней части турбины больше чем в нижней, то под действием этого перепада колонковая труба прижимается к опоре, что препятствует утечке жидкости через зазор между колонковой трубой и отверстием вала. Это могло бы приводить к разрушению выбуренного керна.

В остальном, конструкция турбодолота аналогична турбобуру.

В турбодолотах типа КТДС-4 (рис.4.4) осевая опора расположена в нижней части. Эти турбодолота выпускают с наружным диаметром корпуса 172 и 195 мм, первый - для бурильных головок диаметром 190, а второй - для 214-мм головок.

Техническая характеристика колонковых турбодолот КТД-4

Все турбины турбодолот имеют номинальный расход бурового раствора 0,028 м 3 /с при плотности ρ = 1200 кг/м 3 .

4.2.2. Турбобуры для забуривания наклонных скважин

Для забуривания наклонных стволов скважин турбобур с долотом должен быть поставлен в скважине под углом к вертикали. Чтобы этот угол был большим, турбобур должен быть, возможно, меньшей длины. Для этих целей применяют укороченные турбобуры-отклонители с числом ступеней 52 - 109. По конструкции они аналогичны унифицированным турбобурам и состоят из турбинной и шпиндельной секций с той разницей, что шпиндельная секция соединяется с турбинной переводником, имеющим перекос осей 1º30". Это позволяет набирать кривизну ствола скважины. Вал турбины соединяется с валом шпинделя шарнирной муфтой, компенсирующей эксцентриситет. Корпус турбины через переводник соединяется с бурильной колонной.

4.2.3. Реактивно-турбинные агрегаты

Для бурения верхних интервалов скважин диаметром 0,394 - 1,02 м применяют реактивно-турбинные агрегаты, у которых два турбобура смонтированы параллельно и жестко соединены между собой.

Для бурения скважин в горнорудной промышленности используют реактивно-турбинные агрегаты с тремя и четырьмя турбобурами, соединенными параллельно. Такими агрегатами бурят скважины диаметром от 1,26 до 5 м.

На рис. 4.5. показан реактивно-турбинный агрегат для бурения скважин диаметром 1,02 м. Этот агрегат имеет: переводник 1 , соединяющий его с бурильной колонной, траверсу 2 , скрепляющую верхние части агрегата и подводящую жидкость к двум турбобурам, турбобуры 3 , соединенные в средней части полухомутами 4 , грузы 5,6 и 7 , плиту 8 , две разрезные втулки 9 , кольца 10 , нижнюю плиту 11 и стяжки 12 . К валам турбобуров присоединены долота.

При бурении агрегат вращается бурильной колонной вокруг ее оси, а долота совершают как бы планетарное вращение вокруг осей турбобуров и оси скважины, разрушая ее забой. Нагрузка на забой создается грузами 5 , 6 и 7 . Разбуренная порода выносится циркулирующим потоком бурового раствора, подаваемого в скважину насосами.

Для бурения скважин с помощью РТБ используются обычные буровые установки.

Турбобур - забойный двигатель, приводимый в движение потоком промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину буро­выми насосами. Турбобур вращает долото, а бурильные трубы при этом не вращаются.

Турбобур состоит из большого количества одинаковых гидра­влических ступеней. Каждая ступень состоит из не­подвижного колеса - статора с лопатками (направляющего ап­парата) и вращающегося с валом колеса - ротора с лопатками (рабочего колеса). Все колеса статора закреплены в корпусе, а колеса роторов на валу турбины.

Промывочная жидкость поступает сверху сначала в верхний статор, затем в верхний ротор, далее в следующий статор и, пройдя попеременно через все статоры и роторы, через специаль­ные отверстия вала и долота поступает на забой.

В статоре создается закрутка потока и увеличивается скорость жидкости. В роторе кинетическая энергия потока жидкости, закрученного в статоре, превращается в механическую энергию вращения вала.

Основные требования, предъявляемые к турбобуру, заклю­чаются в следующем.

1. Для получения высокой мощности и оптимального числа оборотов вала при относительно малых скоростях промывочной жидкости в межлопаточных каналах, во избежание быстрого износа, турбина должна выполняться многоступенчатой.

2. В целях унификации ступени турбины должны быть одина­ковыми.

3. Профили лопаток статоров и роторов должны быть одина­ковыми, но направленными в противоположные стороны (зеркаль­ное отображение).

1 - корпус; 2 - вал; 3 - статор; 4 - ротор; 5 - диск; 6 - подпятник; 7, 8, 9 - радиальные опоры (верхняя средняя нижняя); 10 - нипель; 11 - переводник корпуса; 12 - предохранительный переводник вала; 13 - полумуфта.

Наиболее распространенным турбобуром является Т12М3. Верхний конец его присоединяется на резьбе к нижнему концу колонны бурильных труб. На нижний конец турбобура навинчивают долото, приводимое турбобуром во вращение.

Промывочная жидкость, поступающая в верхнюю часть турбо­бура, движется через отверстия (окна) в дисках подпятников; часть ее проходит по смазочным канавкам резино­вой обкладки подпятников, смазывая и охлаждая их. Далее промывочная жидкость попадает в гидравлический двигатель - турбину, затем в нижнюю внутреннюю полость вала и после прохода промывочных отверстий долота на забой скважины. Турбина многоступенчатая. Количество ступеней 120. Каж­дая ступень состоит из неподвижного и вращающегося дисков - статора и ротора. Статоры закреплены в корпусе, а роторы на валу турбобура. Вся система статоров, подпятников и про­межуточных опор зажата в корпусе ниппелем со значительным осевым усилием; в результате на торцах этих деталей создаются силы трения, обеспечивающие неподвижность деталей относительно корпуса. Ниппель является также нижней радиальной опорой турбобура, поэтому внутренняя поверхность ниппеля покрыта резиной. На поверх­ности резины сделаны продольные канавки для охлаждения про­мывочной жидкостью поверхности трения. Внутри ниппеля вра­щается втулка, посаженная на вал турбобура.

Ниппель подвергается действию двух противоположных кру­тящих моментов, реактивного момента статора (последний вра­щается против часовой стрелки, а вал по направлению часовой стрелки) и момента сил трения в нижней резиновой опоре (по часовой стрелке). Так как первый значительно больше второго, то для предупреждения самоотвинчивания ниппеля направление резьбы должно быть правым.

Для уменьшения прогибов вала, устанавливают две средние опоры. Эти опоры, как и нижняя, покрыты резиной, имеющей канавки для промывки. Втулки средних опор и роторы турбины посажены на вал без шпонок.

Крепление роторов, передающих крутящий момент валу, а также вращающихся деталей подпятников (колец и дисков), втулки нижней опоры, упора и втулок средних опор производится роторной гайкой. Неподвижность этих деталей на валу обу­словлена силами трения на торцах, возникающими при затяжке роторной гайки. Единственной деталью, которая устанавливается на валу на маленькой шпонке, является упор, так как имеет окна, соответствующие окнам на валу турбо­бура.

Упор представляет собой втулку, устанавливаемую над втул­кой нижней опоры. Упор имеет шпоночную канавку и конический участок с окнами, совпадающими «по положению с окнами вала турбобура.

Во избежание самоотвинчивания роторной гайки, верхняя ее часть имеет снаружи коническую поверхность с шестью продольными прорезями. На коническую поверхность роторной гайки надевается колпак, затяги­ваемый контргайкой; что создает обжимающее усилие, заставляющее витки резьбы роторной гайки плотно прижаться к виткам резьбы вала. Положение контргайки фиксируется предохранительной шайбой.

Осевой разбег в собранном тур­бобуре, т. е. возможное перемещение вала с собранными на нем деталями относительно кор­пуса с зажатыми дисками статоров и подпятников; может равняться 0-2 мм.

Для присоединения турбобура к бурильной колонне служит переводник, который нижней частью присоединяется на цилин­дрической резьбе к корпусу турбобура, а верхним концом с замко­вой резьбой к колонне бурильных труб. Переводник, завинченный до упора в торец корпуса, образует внутри него ступеньку под посадку неподвижной системы деталей турбины. Дня присоединения к переводнику и ниппелю на концах корпуса имеются внутренние цилиндрические резьбы.

Основная нагрузка, воспринимаемая валом турбобура, может иметь направление как сверху вниз, так и снизу вверх. Усилие, направленное сверху вниз, определяется перепадом давления на турбине и собственным весом вала со всеми связанными с ним вра­щающимися деталями. Снизу вверх действует реакция забоя на долото, возникающая во время бурения и имеющая переменную величину.

Осевые усилия воспринимаются гребенчатой резиновой пятой, состоящей из 12 ступеней. Подпятник представляет собой сталь­ное кольцо Т-образного сечения, облицованное резиной на» двух параллельных и внутренней цилиндрической поверхностях. Резиновая обкладка снабжена радиальными и осевыми канавками, необходимыми для обильного смачивания (смазки) и охлаждения трущихся поверхностей глинистым раствором во время работы.

В наружной окружности подпятников имеются окна для про­хода основной части потока глинистого раствора. Подпятники устанавливают в корпусе турбобура и зажимают ниппелем вместе со статорами. Диски пяты изготовляют из качественных сталей. Их полированной поверхности придается высокая твердость.

Между верхним статором и нижним подпятником устанавли­вается регулировочное кольцо.

Вал турбобура является также валом турбины и рабочим шпинделем. Нижний конец его имеет коническую резьбу для присоединения к долоту. В нижней части 1вал имеет канал, соеди­няющийся при помощи трех окон, в которые входит глинистый раствор, с наружной поверхностью вала.

На валу имеется небольшая канавка под шпонку для упора. Втулки опор служат для предохранения вала от износа. На верхнем конце вала под роторную гайку нарезана левая цилин­дрическая резьба, что способствует ее самозатягиванию во время работы.